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Communication par fibre optique: des Romains a nos jours Camille-Sophie Brès Se

Communication par fibre optique: des Romains a nos jours Camille-Sophie Brès Section Génie Electrique et Electronique Incroyable mais vrai…. la fibre optique! Aussi mince qu’un cheveu mais tres resistante Petite taille et petit poid Transparente et rapide L’information se deplace a ~2e8 m/s Tres faible attenuation (0.1dB/km) Peut etre utilisee sur des tres longues distances Tres large bande passante (25 THz) Enormement d’information Sécurité électrique : isolation entre terminaux, insensible et non génératrice de parasites…. Au cœur de presque tous les systèmes de telecommunication ! Un peu d’histoire  Chez les Romains: Decorations faites de verre  1790s: Chappe inventent le telegraphe optique  1840s: Colladon montre le guidage de la lumiere  1880s: Bell invente le photophone  1880 – 1920 : Glass rods pour illumination  1930: Lamm transmet une image dans un “fiber bundle”  1950: van Heel et Hopkins inventent le fibroscope flexible  1960: le laser!  1964: Kao décrit un systeme de communication par fibre optique  1970: premiere fibre (corning) avec perte suffisamment faible pour etre utilisable  1977: premier système de communication téléphonique optique installé à Chicago  De nos jours : Plus de 25 millions de km de fibre optique installés dans le monde 5 générations de systèmes optiques 0.8 µm systems (1980) 45Mbps, 10km, MMF, InGas 1.3 µm systems (1985) 1.7Gbps, 50km, SMF, InGaAsP 1.5 µm systems (1990) 2.5Gbps, 100km, SM laser WDM systems (1996) Tbps, amplificateurs optiques L and S bands (2002) Amplification Raman (from G.P. Agrawal) Laser (1958) Townes, Basov, Prokhorov (1964 Nobel prize) Optical fiber (1964) Charles Kao (2009 Nobel prize) La loi de Snell-Descartes Medium 2 (n2<n1) Medium 1 (n1>n2) θ1 θ2 normal Exprime le changement de direction d'un faisceau lumineux lors de la traversée d'une paroi, séparant deux milieux différents ( ) ( ) 2 2 1 1 sin n sin n θ θ = Reflexion totale interne Medium 2 (n2<n1) Medium 1 (n1>n2) θC Au dela de cet angle critique θIN > θC toute la lumiere est reflechie Medium 1 (n1) au Medium 2 (n2), n1> n2 ⇒ bending away from the normal A l’angle critique θC lumiere de n1> n2 est refracte a 90 ° Reflexion totale interne (TIR) normal ( ) 1 2 n n sin = C θ Structure de la fibre optique 8-62.5 um 125 um 250-900 um COEUR GAINE PROTECTION Guide la lumiere Reflexion totale interne Mechanique et flexibilite n2 n1 ( ) 2 2 2 1 0 0 n n sin n NA − = ≡ α Fibre monomode NA a 2 V ×       = λ π α0 Fibre multimode Attenuation de la lumière (1) Absorption de la silice (material absorption) Transitions electroniques (UV), résonnance vibrationnelle (IR) Impurités Le verre n’est plus transparente au dela de 2 um Diffusion Rayleigh (Rayleigh scattering) αr = 1/λ4 Fluctuations de la densité Imperfection de la fibre (waveguide imperfections) 1% signifie 0.03 dB/km “Microbending”: imperfection de fabrication “Macrobending”: rayon de courbure 5mm 8 Attenuation de la lumière (2) 12 THz 15 THz Transmission windows 0.2 OH absorption peak Waveguide imperfections Dispersion Origine: l’indice de refraction depend de la frequence n(ω) Constante de propagation β(ω) = n(ω)ω/c = β0 + β1(ω − ω0) + β2(ω − ω0)2+… (frequence centrale ω0) βn= (dmβ/dωm), β1=1/vg et D=-λ2/2πc x β2 Temps de transit dans une fibre de longueur L est: T = L/vg = β1L. Dans un milieu dispersif, chaque longueur d'onde se propage à une vitesse différent Une impulsion subit un élargissement temporel! Dispersion chromatique Selon le signe de D on distingue deux types de régime: lorsque D < 0, on parle de dispersion normale les composantes spectrales rouges voyagent alors plus vite que les bleues lorsque D > 0, on parle de dispersion anormale les composantes spectrales bleues voyagent plus vite que les rouges. Defis des réseaux Attenuation …. Amplification optique Dispersion…. Regeneration OEO Regeneration tout optique Modulation Utilisation des réseaux Augmenter la capacité de chaque canal: OTDM PDM etc Augmenter le nombre de canaux: WDM Multiplexage statistique: plusieurs fibres optiques Multiplexage temporel (OTDM)  Offrir à un utilisateur à la fois, la totalité de la bande passante pendant un court instant. L'allocation se fait en divisant l'axe du temps en intervalles (τ) Utilisateur N transmet que pendant son intervalle de temps τn 1: ♣♣♣♣♣♣ 2:♦♦♦♦♦♦ 3:♠♠♠♠♠♠ ♣♣♦♦♠♠♣♣♦♦♠♠♣♣ τ1 τ2 τ3 τ1 τ2 τ3 . . . Multiplexage temporel (OTDM) 40 Gb/s – 1 utilisateur 80 Gb/s - 2 utilisateurs 160 Gb/s - 4 utilisateurs 320 Gb/s - 8 utilisateurs 640 Gb/s - 16 utilisateurs 40GHz MZM PM SMF1 EDFA1 0.1nm EDFA2 7 nm 0.1nm EDFA3 W D M Delay HNLF1 HNLF2 640 Gb/s transmitter BERT PLL PD 40GHz WDM PD PD PD 50% 50% 10% HNLF4 2nm WDM Phase tracker Clock recovery 40GHz 90% 640 Gb/s receiver Noise 50% 50% EDFA5 EDFA4 7 nm 1:8 BRM DCF 40Gb/s PRBS LD SMF2 MZM PM 0.1nm 7 nm HNLF3 Delay EDFA7 EDFA6 EDFA8 EDFA9 Delay VOA Format de modulation Représenté dans un diagramme de constellation I et Q Amplitude Phase I Q I PSK Q I QPSK Q OOK I 16 QAM Q Plus de bits d’information par symbole Multiplexage par longueur d’onde: WDM Faire passer plusieurs signaux de longeur d’onde differentes sur une seule fibre optique Utilisateur N est attribué une longueur d’onde λN Avantages: Utilisation de la bande passante Transmission a haute capacité sur une fibre Utilisateurs a la vitesse électronique Tx1 Tx2 Tx3 Tx4 Rx1 Rx2 Rx3 Rx4 Multiplexage De-Multiplexage Désavantages Vitesse pour changer de longeur d’onde Limitations imposés par les effets nonlinéaires Controle du réseau Solution a l’utilisation des réseaux: OTDM+ WDM+ modulation 2011: 101.7 Tb/s (370 x 294 Gb/s PDM 128QAM ODFM) Guide de lumière Step-index fiber Fibre silice, Plastic cladded silica (PCS) Polymer optical fiber (POF) Graded index fiber Fibres photoniques (PCF) High index core Photonic bandgap fiber Photonique intégrée “Silicon photonics” (SEM of US NRL produced PCFs) Effets nonlinéaires Relation entre excitation d’un milieu et la réponse de ce milieu La réponse à la somme de 2 champs électriques n’est pas la somme des réponses individuelles. Onde électromagnétique Guide d’onde Formation d’un pôle positif et un negatif: polarization du milieu Linear susceptibility tensor 2nd order nonlinear susceptibility tensor 3rd order nonlinear susceptibility tensor Coefficient de nonlinéarité 2 2 eff n A π γ λ = Materiau Guide d’onde -10 -5 0 5 10 -1 0 1 2 3 4 Transversal Coordinate, µm Refractive Index Difference, % HNLF SMF SMF: 1.3 W-1km-1; HNLF: 20 W-1km-1; PCF and silicon waveguide > 2000 W-1km-1 Modification de la dispersion Substrate Si Buried oxide SiO2 Waveguide Si >1µm 3µm 1µm Refractive index n Core 800 1200 1600 2000 2400 Wavelength (nm) -100 100 0 Dispersion (ps/km-nm) Increasing waveguide width Amplification One Pump Amplifier 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 0 5 10 15 20 25 30 Signal wavelength (nm) Gain (dB) λPump = 1561.225 nm 110 nm L = 150 m λ Applications (1) Conjugaison de phase Tx A* Rx D D Propagation Propagation 640 Gb/s L = 100km Translation / Replication Wavelength multicasting Applications (2) Idler x Echantillonnage Parametrique (ADC) Mixer Signal (Analog) Pump Conclusion La fibre optique au centre de la communication moderne Plus loin Plus vite Plus flexible Recherche dynamique et variée Modulation Transmission Nouvelles fibres et guides d’onde Optique fibrée nonlinéaire et traitement de signaux …. le futur: réseaux de communication tout optique? uploads/Management/ presentation-c-bres.pdf